逆向起爆下軸向式MEFP成型特性數(shù)值模擬研究

祁宇軒,毛 亮,姜春蘭,曹福寶,盧士偉,劉 麗

( 1.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081； 2.中國兵器工業(yè)集團(tuán) 航空彈藥研究院， 哈爾濱 150030； 3.山西江陽化工有限公司， 太原 030041)

1 引言

伴隨先進(jìn)武器裝備的應(yīng)用和新型作戰(zhàn)理念的發(fā)展，戰(zhàn)場上的目標(biāo)呈現(xiàn)多樣化趨勢。為實(shí)現(xiàn)對多種目標(biāo)的高效毀傷，各國開展了多爆炸成型彈丸(multiple explosively formed projectile，MEFP)戰(zhàn)斗部技術(shù)研究。MEFP戰(zhàn)斗部形式種類多樣，主要有軸向式、周向式、復(fù)合式、網(wǎng)柵切割式和刻槽半預(yù)制式等。其中，軸向式MEFP戰(zhàn)斗部以其靈活多變的毀傷形式，在末敏彈、智能雷等彈藥產(chǎn)品上得到了廣泛應(yīng)用。MEFP戰(zhàn)斗部毀傷效應(yīng)主要取決于EFP成型效果，而影響MEFP成型效果的因素較多，對于一定結(jié)構(gòu)的MEFP戰(zhàn)斗部，爆轟波波形對其成型影響尤為顯著，改變戰(zhàn)斗部起爆方式,可以控制爆轟波波形，進(jìn)而調(diào)整MEFP成型。

近些年，國內(nèi)外學(xué)者對MEFP戰(zhàn)斗部起爆方式進(jìn)行了探索研究。Richard Fong等利用適當(dāng)起爆方式實(shí)現(xiàn)了軸向式MEFP良好成型，提高了戰(zhàn)斗部對地面集群裝甲目標(biāo)的毀傷效果。A.Blaches等開展了MEFP正向同步起爆系統(tǒng)研究，戰(zhàn)斗部起爆后形成了飛行方向相同的彈丸。Bender等通過調(diào)整正向起爆方式結(jié)合機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)了MEFP多模式轉(zhuǎn)換。楊偉苓等設(shè)計(jì)了戰(zhàn)斗部VESF起爆系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了MEFP高定向度飛散。王芳等研究了定向MEFP戰(zhàn)斗部2點(diǎn)起爆方式，形成了性能優(yōu)異的EFP。張康等研究了隔板參數(shù)對MEFP成型特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了隔板材料密度對彈丸速度和長徑比具有較大影響。正向起爆并結(jié)合隔板、飛片等波形控制方式,可以得到性能優(yōu)良的MEFP，但一方面會提高各零件裝配同軸度要求，另一方面會增加戰(zhàn)斗部長度，無法滿足智能彈藥小型化需求。有關(guān)研究表明，逆向起爆小長徑比聚能裝藥仍可獲得高速射流。因此，本文將逆向起爆方式應(yīng)用于軸向式MEFP戰(zhàn)斗部，采用數(shù)值模擬方法研究藥型罩壓垮成型特性，研究結(jié)果可為多爆炸成型彈丸戰(zhàn)斗部智能化、小型化設(shè)計(jì)提供參考。

2 戰(zhàn)斗部計(jì)算模型

2.1 戰(zhàn)斗部有限元模型

本文設(shè)計(jì)的軸向式MEFP戰(zhàn)斗部，由1個(gè)主藥型罩、8個(gè)輔藥型罩、裝藥及殼體組成。戰(zhàn)斗部直徑為150 mm，變壁厚主藥型罩直徑為62 mm，罩頂壁厚為4.5 mm，等壁厚輔藥型罩直徑為30 mm，壁厚為5.2 mm，藥型罩間距為4 mm，殼體厚度為3 mm。裝藥高度分別選取0.25、0.50、0.75、1.00倍裝藥直徑(charge diameter，CD)。

考慮到戰(zhàn)斗部對稱性和節(jié)約計(jì)算時(shí)間，采用Truegrid軟件，建立了戰(zhàn)斗部1/4有限元模型，如圖1所示。完成網(wǎng)格劃分后藥型罩、戰(zhàn)斗部裝藥、空氣域之間進(jìn)行共節(jié)點(diǎn)設(shè)置，殼體網(wǎng)格置于空氣域內(nèi)。戰(zhàn)斗部模型的2個(gè)對稱面設(shè)置對稱約束，限制其節(jié)點(diǎn)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，空氣域外表面設(shè)置為自由流出邊界。最后通過軟件接口將其導(dǎo)入LS-DYNA非線性動(dòng)力學(xué)有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。

圖1 MEFP戰(zhàn)斗部有限元模型示意圖Fig.1 Finite element model of MEFP warhead

2.2 材料參數(shù)及算法選取

戰(zhàn)斗部裝藥為JO-8炸藥，選用HIGH_EXPLOSIVE_BURN材料模型和JWL狀態(tài)方程描述其爆轟作用過程。藥型罩材料為OFHC銅，殼體材料為1006鋼，為描述藥型罩及殼體金屬材料在炸藥爆轟驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的高溫、高壓、高應(yīng)變率環(huán)境下的變形與流動(dòng)行為，均選用JOHNSON_COOK材料模型和GRUNEISEN狀態(tài)方程。各材料參數(shù)如表1～表3所示。

表1 JO-8炸藥主要參數(shù)Table 1 Parameters of JO-8

表2 OFHC銅主要參數(shù)Table 2 Parameters of OFHC

表3 1006鋼主要參數(shù)Table 3 Parameters of Steel 1006

戰(zhàn)斗部裝藥爆轟過程及MEFP成型過程中,由于存在著材料大變形和高速流動(dòng)，如果采用拉格朗日算法，物質(zhì)的流動(dòng)會導(dǎo)致計(jì)算網(wǎng)格畸變并產(chǎn)生較大計(jì)算誤差，甚至出現(xiàn)負(fù)體積現(xiàn)象，導(dǎo)致計(jì)算停止。因此，藥型罩、裝藥、空氣采用任意拉格朗日-歐拉(arbitrary Lagrange-Euler， ALE)算法，其可以克服拉格朗日、歐拉算法的缺點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于固體材料大變形與流固耦合問題。殼體采用拉格朗日算法，設(shè)置應(yīng)變失效與流固耦合接觸。

2.3 逆向起爆方式設(shè)計(jì)

多點(diǎn)同步起爆存在波系之間的相互作用，較單點(diǎn)起爆波陣面具有更好的平面性，廣泛應(yīng)用于聚能類戰(zhàn)斗部。目前國內(nèi)外學(xué)者對正向起爆下MEFP成型規(guī)律開展了大量研究。本文設(shè)計(jì)了一種新型的MEFP逆向起爆方式，起爆點(diǎn)位于戰(zhàn)斗部藥型罩端面主、輔藥型罩中心連線角分線與裝藥邊緣交點(diǎn)處，圖2為傳統(tǒng)正向起爆和新型逆向起爆示意圖。

圖2 MEFP戰(zhàn)斗部起爆點(diǎn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of MEFP warhead initiation point

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 爆轟波傳播過程

圖3為MEFP戰(zhàn)斗部逆向起爆下不同時(shí)刻爆轟過程壓力分布云圖。從圖3中可以看出，=2 μs時(shí)爆轟波開始接觸輔藥型罩，=4 μs時(shí)2個(gè)起爆點(diǎn)形成的爆轟波在輔藥型罩靠近殼體一側(cè)中間位置疊加，=5 μs時(shí)爆轟波開始接觸主藥型罩，=7 μs時(shí)爆轟波在主藥型罩上形成“花瓣?duì)睢眽毫Ψ植迹總€(gè)輔藥型罩方向存在一個(gè)壓力較高的區(qū)域，=9 μs時(shí)各起爆點(diǎn)形成的爆轟波在主藥型罩中心疊加，形成一個(gè)壓力很高的區(qū)域。

相比于傳統(tǒng)正向起爆爆轟過程，逆向起爆爆轟波波陣面與藥型罩表面夾角較大，爆轟波先壓垮輔藥型罩后壓垮主藥型罩。對于主藥型罩，先壓垮邊緣后壓垮罩中心。對于輔藥型罩，先壓垮罩靠近殼體一側(cè)后壓垮罩靠近戰(zhàn)斗部中心一側(cè)。隨著爆轟波由殼體一側(cè)向戰(zhàn)斗部中心傳播，爆轟作用區(qū)域壓力逐漸升高，其原因?yàn)楦髌鸨c(diǎn)產(chǎn)生的爆轟波在傳播過程中疊加增強(qiáng)。

圖3 逆向起爆爆轟波傳播過程壓力分布云圖Fig.3 Reverse initiation detonation wave propagation process

3.2 MEFP成型過程

圖4為裝藥高度050工況下MEFP成型過程。從圖4中可以看出，=40 μs時(shí)主藥型罩中心發(fā)生明顯翻轉(zhuǎn)變形，藥型罩中心速度高邊緣速度低，輔藥型罩靠近裝藥中心一側(cè)速度高發(fā)生明顯變形，靠近裝藥邊緣一側(cè)速度低變形小。隨著時(shí)間增加，主EFP頭部不斷拉長，尾部逐漸破碎，輔EFP發(fā)生變形和翻轉(zhuǎn)。直至=160 μs時(shí)，主藥型罩形成具有較大長徑比、帶尾翼尾裙結(jié)構(gòu)的高速彈丸，尾翼數(shù)量為8個(gè)，與起爆點(diǎn)數(shù)量相同。輔藥型罩靠近裝藥中心一側(cè)外翻形成扁平狀彈丸，其速度低于主EFP，并具有一定的發(fā)散角。

圖4 逆向起爆下MEFP成型過程示意圖Fig.4 Formation process of MEFP under reverse initiation

與傳統(tǒng)正向起爆相比，除尾裙結(jié)構(gòu)外，逆向起爆形成的主EFP還具有與起爆點(diǎn)數(shù)量相等的尾翼，因而具有更好的氣動(dòng)特性。同時(shí)，逆向起爆可形成具有較大長徑比的主EFP。爆轟波在主藥型罩底部疊加，形成周向壓力值高低相間的“花瓣?duì)睢狈植?，如圖3(h)所示。罩底壓力較高的區(qū)域在飛行過程中發(fā)生崩落，壓力較低的區(qū)域形成尾翼結(jié)構(gòu)。由于起爆點(diǎn)的中心對稱性，爆轟波同時(shí)在主藥型罩頂部中心疊加，形成了壓力較高的區(qū)域，而罩底則壓力較低，如圖3(i)所示。罩頂罩底壓力差導(dǎo)致了主EFP速度梯度的形成，進(jìn)而造成了其具有較大的長徑比。分析可知，爆轟波在主藥型罩上疊加形成的“花瓣?duì)睢眽毫Ψ植际切纬芍鱁FP尾翼結(jié)構(gòu)的主要原因，而爆轟波在主藥型罩中心形成的高壓區(qū)是主EFP具有較大長徑比的主要原因。

3.3 不同裝藥高度下主EFP成型特性

為研究逆向起爆主EFP在不同裝藥高度下成型特性，統(tǒng)計(jì)其在不同裝藥高度下的長度、尾裙直徑、頭部速度變化，并采用數(shù)字圖像處理技術(shù)獲得其密實(shí)度隨時(shí)間變化曲線。不同裝藥高度下=160 μs時(shí)刻主EFP成型結(jié)果如表4所示。

表4 不同裝藥高度下t=160 μs時(shí)刻主EFP成型結(jié)果Table 4 Results of formation of main EFP at t=160 μs under different heights of charge

圖5為不同裝藥高度下主EFP長度隨時(shí)間變化曲線。由圖5可知，戰(zhàn)斗部裝藥起爆20 μs時(shí)刻開始，主EFP長度隨著時(shí)間的增加而快速增加。同一時(shí)刻下，裝藥高度在75 mm(0.50)以上時(shí)，主EFP長度隨裝藥高度增加變化不大。裝藥高度為37.5 mm(0.25)時(shí)，主EFP長度出現(xiàn)反常增加現(xiàn)象，其長度較0.50下增加了28.90%。分析可知，裝藥高度較小時(shí)，作用在藥型罩邊緣的炸藥質(zhì)量減少較多，降低了侵徹體尾部速度，可能是導(dǎo)致其速度梯度增加，出現(xiàn)長度反常增加現(xiàn)象的原因。

圖5 不同裝藥高度下主EFP長度隨時(shí)間變化曲線Fig.5 Curve of length of main EFP with time with different heights of charge

圖6為不同裝藥高度下主EFP尾裙直徑隨時(shí)間變化曲線。由圖6可知，戰(zhàn)斗部裝藥起爆20 μs時(shí)刻開始，主EFP尾裙直徑隨著時(shí)間的增加先逐漸減小，之后趨于穩(wěn)定至42 mm左右。同一時(shí)刻下，裝藥高度在75 mm(0.50)以上時(shí)，主EFP尾裙直徑隨裝藥高度增加變化不大，體現(xiàn)出較大裝藥高度逆向起爆下主EFP尾裙直徑對裝藥高度變化的不敏感性，裝藥高度為37.5 mm(0.25)時(shí)，主EFP尾裙直徑較其他工況略有減小。分析可知，其主要原因?yàn)橹鱁FP速度梯度的增加造成了部分尾裙材料的斷裂分離。

圖6 不同裝藥高度下主EFP尾裙直徑隨時(shí)間變化曲線Fig.6 Curve of tail diameter of main EFP with time with different heights of charge

圖7為不同裝藥高度下主EFP頭部速度隨時(shí)間變化曲線。由圖7可知，戰(zhàn)斗部裝藥起爆20 μs時(shí)刻開始，受空氣阻力和尾部材料拉伸作用影響，主EFP頭部速度隨時(shí)間的增加而逐漸減小，到160 μs時(shí)，其大小約為1 850 m/s。同一時(shí)刻下，不同裝藥高度工況主EFP頭部速度幾乎相同，體現(xiàn)出逆向起爆下主EFP頭部速度對裝藥高度的不敏感性。分析可知，主EFP頭部速度主要受到爆轟波中心疊加作用的影響，爆轟波掃過藥型罩向戰(zhàn)斗部后部傳播，因此裝藥高度對主EFP頭部速度影響較小。

圖7 不同裝藥高度下主EFP頭部速度隨時(shí)間變化曲線Fig.7 Curve of head velocity of main EFP with time with different heights of charge

文獻(xiàn)[21]對爆炸成型PELE密實(shí)度進(jìn)行了定義，并采用數(shù)字圖像處理技術(shù)得到了不同工況下爆炸成型PELE的密實(shí)度。本文將EFP密實(shí)度定義為EFP實(shí)體部分與其外輪廓包含部分體積之比，其值在0～1之間，并采用類似方法得到不同裝藥高度下主EFP密實(shí)度隨時(shí)間變化曲線，如圖8。從圖8中可知，戰(zhàn)斗部裝藥爆炸20～40 μs內(nèi)，主EFP密實(shí)度從約0.97迅速下降至約0.78，隨后緩慢下降并在0.72～0.82間波動(dòng)。圖9為主EFP 形態(tài)變化及材料崩落過程，主EFP成型初期內(nèi)部空腔形成，密實(shí)度開始下降，隨后空腔增長，密實(shí)度迅速下降。當(dāng)空腔形態(tài)基本穩(wěn)定后，密實(shí)度變化減緩，但由于侵徹體仍存在拉長等形狀改變和尾部部分材料崩落，如圖9(d)所示，密實(shí)度開始在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。分析可知，密實(shí)度波動(dòng)的主要原因?yàn)榍謴伢w形狀變化及尾部材料崩落。對比主EFP密實(shí)度波動(dòng)平均值，裝藥高度112.5 mm(0.75)和150.0 mm(1.00)工況較37.5 mm(0.25)和75.0 mm(0.50)工況略有提高。逆向起爆MEFP戰(zhàn)斗部可以獲得較為密實(shí)的爆炸成型彈丸，裝藥高度變化對侵徹體密實(shí)度影響不大。

圖8 不同裝藥高度下主EFP密實(shí)度隨時(shí)間變化曲線Fig.8 Curve of compactness of main EFP with time with different heights of charge

圖9 主EFP形貌變化及材料崩落過程示意圖Fig.9 Morphology changing and material caving process of main EFP

3.4 不同裝藥高度下輔EFP成型特性

為研究逆向起爆輔EFP在不同裝藥高度下成型特性，統(tǒng)計(jì)其在不同裝藥高度下的長度、頭部速度及發(fā)散角。不同裝藥高度下=160 μs時(shí)刻輔EFP成型結(jié)果如表5所示。

表5 不同裝藥高度下t=160 μs時(shí)刻輔EFP成型結(jié)果Table 5 Results of formation of auxiliary EFP at t=160 μs under different heights of charge

圖10為不同裝藥高度下輔EFP長度隨時(shí)間變化曲線。從圖10中可知，戰(zhàn)斗部裝藥起爆20 μs時(shí)刻開始，輔EFP長度隨著時(shí)間的增加，先增加后減小，裝藥高度較大工況變化較裝藥高度37.5 mm(0.25)工況明顯。分析可知，輔EFP首先在爆炸作用下逐漸拉長，之后由于速度梯度的存在，尾部的部分材料發(fā)生崩落分離，導(dǎo)致輔EFP長度略有減小，裝藥高度較小工況輔EFP長度變化不大，材料崩落導(dǎo)致的質(zhì)量損失較小。

圖10 不同裝藥高度下輔EFP長度隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Curve of length of auxiliary EFP with time with different heights of charge

圖11為不同裝藥高度下輔EFP頭部速度隨時(shí)間變化曲線。從圖11中可知，戰(zhàn)斗部裝藥起爆20 μs時(shí)刻開始，隨著時(shí)間的增加，輔EFP受空氣阻力和尾部材料拉伸作用影響，頭部速度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。由表5可知，裝藥起爆后160 μs時(shí)刻，裝藥高度較大工況輔EFP速度為1 405 m/s，裝藥高度37.5 mm(0.25)工況其速度為1 266 m/s。分析可知，逆向起爆可形成頭部速度1 200 m/s以上具有一定動(dòng)能的輔EFP，大裝藥高度下其頭部速度對裝藥高度變化不敏感，若大幅減小裝藥高度，會導(dǎo)致頭部速度略有減小。

圖11 不同裝藥高度下輔EFP頭部速度隨時(shí)間變化曲線Fig.11 Curve of head velocity of auxiliary EFP with time with different heights of charge

由于爆轟波對輔藥型罩的徑向作用，MEFP戰(zhàn)斗部輔EFP飛行過程中存在一定發(fā)散角。發(fā)散角含義如圖12所示，其中即為輔EFP發(fā)散角。表6為不同裝藥高度下輔EFP發(fā)散角統(tǒng)計(jì)，隨著裝藥高度的增加，輔EFP發(fā)散角，先大幅度增加，從裝藥高度37.5 mm到75.0 mm，發(fā)散角增加了約50.5%，之后發(fā)散角緩慢減小并趨于穩(wěn)定。分析可知，裝藥高度較小情況下輔EFP發(fā)散角小，MEFP戰(zhàn)斗部具有更好的毀傷效能。若對戰(zhàn)斗部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并調(diào)整逆向起爆點(diǎn)位置，可以進(jìn)一步減小輔EFP發(fā)散角。

圖12 MEFP戰(zhàn)斗部發(fā)散角示意圖Fig.12 Diagram of divergence angle of MEFP warhead

表6 不同裝藥高度下輔EFP發(fā)散角Table 6 Statistics of divergence angle of auxiliary EFP under different heights of charge

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種軸向式MEFP戰(zhàn)斗部新型逆向起爆方式，并借助LS-DYNA軟件進(jìn)行數(shù)值仿真，探究MEFP成型特性，主要結(jié)論如下：

1) 逆向起爆下爆轟波先壓垮輔藥型罩，后壓垮主藥型罩，并在主藥型罩上形成“花瓣?duì)睢眽毫Ψ植己椭行母邏簠^(qū)，爆轟波波陣面與藥型罩曲面夾角較大。逆向起爆下MEFP成型良好，“花瓣?duì)睢眽毫Ψ植紝?dǎo)致主EFP具有尾翼結(jié)構(gòu)，尾翼數(shù)量與起爆點(diǎn)數(shù)量相同，中心高壓區(qū)有利于主EFP拉長。

2) 逆向起爆下主EFP頭部速度對裝藥高度變化不敏感。裝藥高度較大時(shí)，主EFP長度、尾裙直徑、頭部速度及輔EFP長度、頭部速度對裝藥高度變化不敏感。裝藥高度較小時(shí)，主EFP長度增加，尾裙直徑減小，輔EFP頭部速度、長度、長度變化幅度、發(fā)散角減小。裝藥高度變化對主EFP速度和密實(shí)度影響不大，對MEFP發(fā)散角影響較大。

3) 軸向式MEFP戰(zhàn)斗部逆向起爆方式適用于0.25等較小裝藥高度情況，該起爆方式可應(yīng)用于小型化MEFP戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)。